JP6117794B2 - ロータおよびモータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータおよびモータに関する。

従来、様々な装置や製品の駆動源としてモータが用いられている。例えば、プリンタや複写機等の事務機器、様々な家電製品、自動車や電動自転車等の車両のアシスト動力源の用途で採用されている。特に、動作頻度の高い可動部品の駆動源として、耐久性や電気ノイズの観点からブラシレスモータが使われる場合がある。

このようなブラシレスモータの一種として、ロータに永久磁石を埋め込んだ埋込磁石型（Interior Permanent Magnet）が知られている。例えば、ロータヨークに板状の複数の磁石が放射状に埋め込まれているとともに、隣接する磁石の同極同士がヨークの周方向において互いに対向するように各磁石が配置されている電動機がある（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４２５１７６号公報

しかしながら、上述の電動機のロータヨークにおいて外周部における平均磁束密度を向上させるためには、残留磁束密度の高い磁石を用いることが一案であるが、コストの上昇を招いてしまうという解決すべき課題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モータが備えるロータ外周部の平均磁束密度を高める技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のロータは、円形のロータコアと、複数の板状マグネットとを備える。ロータコアは、回転軸を中心に放射状に形成された複数のマグネット収容部を有する。板状マグネットは、隣接するマグネットと同じ磁極同士がロータコアの周方向において対向するようにマグネット収容部に収容されている。そして、ロータは、板状マグネットの磁極がある面の表面積をＳ_１［ｍｍ^２］、ロータコアの外周面の表面積をＳ_２［ｍｍ^２］、ロータの磁極数をＰ、ロータコアの最大外径をＤｒ［ｍｍ］、ロータコアの周方向における板状マグネットの平均厚みをＬｍ［ｍｍ］とすると、Ｓ１＞Ｓ２／Ｐ・・・式（１）、０．６６５×１０^−４×Ｐ^２−０．２８×１０^−２×Ｐ＋０．５７７×１０^−１＜（Ｌｍ／Ｄｒ）＜３．３８×１０^−４×Ｐ^２−１．８６×１０^−２×Ｐ＋３．３６×１０^−１・・・式（２）を満たす。

この態様によると、マグネット１個あたりのロータコアの外周面の表面積Ｓ_２／Ｐが、板状マグネットの磁極がある面の表面積Ｓ_１より小さくなる。つまり、マグネットの磁極がある面から出た磁力線が、より狭い領域であるロータの外周部を通過するため、ロータとステータとのギャップ部での平均磁束密度をマグネットの残留磁束密度以上にすることが可能となる。また、ロータの磁極数とロータコアの最大外径と板状マグネットの平均厚みとの関係が上述の式（２）を満たすように各値を適切に選択することで、ロータの平均磁束密度をより高めることができる。

ロータコアは、複数の電磁鋼板または冷延鋼板を積層したものであり、電磁鋼板または冷延鋼板の厚みをＴ［ｍｍ］、隣接する板状マグネット同士の最短距離をＷｂ［ｍｍ］とすると、Ｗｂ≦５Ｔ・・・式（３）を満たしてもよい。マグネット同士の最短距離が広いと、ヨークコアにおける磁気ショートによる有効磁束が低下する傾向にある。そこで、マグネット同士の最短距離Ｗｂを式（３）を満たすように設計することで、有効磁束（換言するとロータ外周部での平均磁束密度）の低下を抑制できる。

マグネット収容部は、ロータコアの径方向であってロータコアの中心側の端部に、板状マグネットが収容された状態で隙間となる径方向逃がし部が形成されていてもよい。径方向逃がし部は、収容されている板状マグネットのロータコア中心側端面からロータコアの中心に向かって延びるように設けられていてもよい。これにより、マグネット収容部へ板状マグネットを挿入する際の作業性が向上する。また、各マグネットから出る磁束がロータコア内で短絡（磁気ショート）することが抑制される。また、径方向逃がし部は、ロータコアの中心に向かって延びているので、板状マグネット同士の最短距離をより小さくできる。

マグネット収容部は、ロータコアの径方向であってロータコアの中心側と反対側の端部に、板状マグネットが収容された状態で隙間となる周方向逃がし部が形成されていてもよい。周方向逃がし部は、収容されている板状マグネットの磁極表面からロータコアの周方向に向かって延びるように設けられていてもよい。これにより、マグネット収容部へ板状マグネットを挿入する際の作業性が向上する。また、各マグネットから出る磁束がロータコア内で短絡（磁気ショート）することが抑制される。

ロータの磁極数Ｐは、１２極、１４極、１６極、１８極、２０極のいずれかであってもよい。これにより、平均磁束密度をより高めることができる。

板状マグネットのロータコア周方向の厚みＬｍは、１ｍｍ〜２５ｍｍの範囲であってもよい。

ロータコアの最大外径Ｄｒは、３５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲であってもよい。

本発明の別の態様は、モータである。このモータは、複数の巻線が配置されている筒状のステータと、ステータの中心部に設けられている上述のロータと、ステータの複数の巻線に給電する給電部と、を備えている。

この態様によると、ロータ外周部の平均磁束密度を高めることができ、モータトルクの向上に寄与する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、モータが備えるロータ外周部の平均磁束密度を高めることができる。

第１の実施の形態に係るブラシレスモータの断面図である。 第１の実施の形態に係るロータの分解斜視図である。 図３（ａ）は、軸受を除く各部材を回転シャフトに取り付けた状態のロータの斜視図、図３（ｂ）は、軸受を含む各部材を回転シャフトに取り付けた状態のロータの斜視図である。 図４（ａ）は、第１の実施の形態に係るロータコアの上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すロータコアにθマグネットを嵌め込んだ状態を示す上面図である。 図５（ａ）は、図４（ａ）のＡ領域の拡大図、図５（ｂ）は、図４（ａ）のＢ領域の拡大図である。 ステータコアの上面図である。 巻線を巻き付けるインシュレータの斜視図である。 図８（ａ）は、本実施の形態に係るステータおよびロータの上面図、図８（ｂ）は、本実施の形態に係るステータおよびロータの斜視図である。 磁極数Ｐとθマグネット厚み（Ｌｍ［ｍｍ］）／ロータコア最大外径（Ｄｒ［ｍｍ］）とに応じたロータのマグネット配置を模式的に列挙した図である。 各磁極数ごとにθマグネット厚み／ロータコア最大外径（Ｌｍ／Ｄｒ）とギャップ部での平均磁束密度Ｂｇとの関係を示した図である。 Ｂｇ／Ｂｒ＞１．０となる磁極数Ｐとθマグネット厚み／ロータコア最大外径（Ｌｍ／Ｄｒ）との関係を示した図である。 図１２（ａ）は、第２の実施の形態に係る逃がし部のないロータコアの上面図、図１２（ｂ）は、第２の実施の形態に係る逃がし部がなく外周が分断されたロータコアの上面図である。 図１３（ａ）は、第３の実施の形態に係るロータコアの上面図、図１３（ｂ）は、第３の実施の形態の変形例に係るロータコアの上面図である。 図１４（ａ）は、図１３（ａ）のＣ領域の拡大図、図１４（ｂ）は、図１３（ａ）のＤ領域の拡大図である。 図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、第４の実施の形態に係るロータコアの一例を示す上面図である。 図１６（ａ）は、第１の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＧ領域の拡大図である。 図１７（ａ）〜図１７（ｈ）は、第１の変形例に係るロータコアの他の例を示す上面図である。 図１８（ａ）は、第２の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＨ領域の拡大図である。 図１９（ａ）〜図１９（ｈ）は、第２の変形例に係るロータコアの他の例を示す上面図である。 図２０（ａ）は、第３の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）のＩ領域の拡大図である。 図２１（ａ）〜図２１（ｈ）は、第３の変形例に係るロータコアの他の例を示す上面図である。 図２２（ａ）、図２２（ｂ）は、第４の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図である。 図２３（ａ）、図２３（ｂ）は、第５の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図である。 図２４（ａ）、図２４（ｂ）は、第６の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。以下では、インナーロータタイプのブラシレスモータを例に説明する。

（第１の実施の形態）
［ブラシレスモータ］
図１は、第１の実施の形態に係るブラシレスモータの断面図である。第１の実施の形態に係るブラシレスモータ（以下、「モータ」と称する場合がある。）１００は、フロントベル１０と、ロータ１２と、ステータ１４と、エンドベル１６と、ハウジング１８と、給電部２０と、を備える。

フロントベル１０は、板状の部材であり、中央に回転シャフト２４が貫通できるように孔１０ａが形成されているとともに、孔１０ａの近傍に軸受２２ａを保持する凹部１０ｂが形成されている。また、エンドベル１６は、板状の部材であり、中央に回転シャフト２４が貫通できるように孔１６ａが形成されているとともに、孔１６ａの近傍に軸受２２ｂを保持する凹部１６ｂが形成されている。ハウジング１８は、筒状の部材である。そして、フロントベル１０、エンドベル１６およびハウジング１８は、モータ１００の筐体を構成する。

［ロータ］
図２は、第１の実施の形態に係るロータの分解斜視図である。図３（ａ）は、軸受を除く各部材を回転シャフト２４に取り付けた状態のロータの斜視図、図３（ｂ）は、軸受を含む各部材を回転シャフト２４に取り付けた状態のロータの斜視図である。

ロータ１２は、円形のロータコア２６と、複数のθマグネット２８と、を備える。ロータコア２６の中心には、回転シャフト２４が挿入された状態で固定される貫通孔２６ａが形成されている。また、ロータコア２６は、θマグネット２８が挿入され固定される複数のマグネット収容部２６ｂを有する。θマグネット２８は、マグネット収容部２６ｂの形状に対応した板状の部材である。

そして、これら各部材を順に組み立てる。具体的には、複数（１６個）のθマグネット２８のそれぞれを、対応するマグネット収容部２６ｂに嵌め込み、そのロータコア２６の貫通孔２６ａに回転シャフト２４を挿入する。そして、軸受２２ａは、スペーサ３０ａを介して回転シャフト２４に取り付けられる。また、軸受２２ｂは、スペーサ３０ｂおよび軸受用スペーサ３２を介して回転シャフト２４に取り付けられる。

［ロータコア］
図４（ａ）は、第１の実施の形態に係るロータコア２６の上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すロータコア２６にθマグネット２８を嵌め込んだ状態を示す上面図である。ロータコア２６は、複数の板状の部材を積層したものである。複数の板状の部材のそれぞれは、無方向性電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）からプレス加工によって図４（ａ）に示すような所定の形状で打ち抜くことで作製される。そして、マグネット収容部２６ｂは、ロータコア２６の回転軸を中心に放射状に形成されている。

θマグネット２８は、図４（ｂ）に示すように、隣接するθマグネットと同じ磁極同士がロータコア２６の周方向θにおいて対向するようにマグネット収容部２６ｂに収容されている。つまり、θマグネット２８は、略直方体の６つの面のうち表面積の広い２つの主面２８ａ，２８ｂがそれぞれＮ極とＳ極となるように構成されている。これにより、θマグネット２８の主面２８ａから出た磁力線は、２つのθマグネット２８の間の領域からロータコア２６の外に向かう。その結果、本実施の形態に係るロータ１２は、その外周部に、Ｎ極とＳ極が交互に８極ずつ計１６極ある磁石として機能する。

なお、θマグネット２８は、例えば、ボンド磁石や焼結磁石である。ボンド磁石は、ゴムや樹脂などに磁性材を練り込みんで射出成形または圧縮成形した磁石であり、後加工をしなくても高精度のＣ面（斜面）やＲ面を得られる。一方、焼結磁石は、粉末状の磁性材を高温で焼き固めた磁石であり、ボンド磁石よりも残留磁束密度を向上させやすいが、高精度のＣ面やＲ面を得るためには後加工が必要な場合が多い。

本実施の形態に係るロータ１２は、その外周部での平均磁束密度を向上するために、以下の関係を満たすように設定されている。具体的には、θマグネット２８の磁極がある主面２８ａ（２８ｂ）の表面積をＳ_１［ｍｍ^２］、ロータコア２６の外周面２６ｃの表面積をＳ_２［ｍｍ^２］、ロータ１２の磁極数をＰ（本実施の形態では１６極）とすると、
Ｓ_１＞Ｓ_２／Ｐ
を満たすようにロータ１２が構成されている。

この場合、θマグネット１個あたりのロータコア２６の外周面２６ｃの表面積Ｓ_２／Ｐが、θマグネット２８の磁極がある主面２８ａ（２８ｂ）の表面積Ｓ_１より小さくなる。つまり、一つのθマグネット２８の磁極がある主面２８ａ（２８ｂ）から出た磁力線が、より狭い領域であるロータ１２の外周面の一部領域（表面積Ｓ_２／Ｐ）から外へ向かうことで、ロータ１２とステータ１４とのギャップ部での平均磁束密度をθマグネット２８の残留磁束密度以上にすることが可能となる。その結果、ロータ１２の外周部での平均磁束密度を向上できる。

次に、マグネット収容部２６ｂについて更に詳述する。図４（ａ）に示すように、ロータコア２６のロータ径方向の両端には、θマグネット２８が収容された状態で隙間となる周方向逃がし部３４ａ，３４ｂが形成されている。

図５（ａ）は、図４（ａ）のＡ領域の拡大図、図５（ｂ）は、図４（ａ）のＢ領域の拡大図である。

図５（ａ）に示すようにマグネット収容部２６ｂは、ロータコア２６の径方向であってロータコアの中心側の端部に、θマグネット２８が収容された状態で隙間となる周方向逃がし部３４ａが形成されている。周方向逃がし部３４ａは、収容されているθマグネット２８の磁極がある主面２８ａ，２８ｂからロータコア２６の周方向θに向かって延びるように設けられている。

ロータコア２６を構成する電磁鋼板または冷延鋼板の一枚の厚みをＴ［ｍｍ］とすると、周方向逃がし部３４ａは、周方向θの厚みｔ_１が、ｔ_１≦３Ｔ、より好ましくはｔ_１≦２Ｔを満たすように設定されており、径方向ｒの厚みｔ_２が、ｔ_２≦３Ｔ、より好ましくはｔ_２≦２Ｔを満たすように設定されている。また、周方向逃がし部３４ａのＲ１面、Ｒ２面の半径は、１．５Ｔ以下、より好ましくは１．０Ｔ以下である。また、隣接する周方向逃がし部３４ａとの間隔Ｇ_１は、１．０Ｔ程度である。

また、マグネット収容部２６ｂは、ロータコア２６の径方向であってロータコアの中心側と反対側の端部に、θマグネット２８が収容された状態で隙間となる周方向逃がし部３４ｂが形成されている。周方向逃がし部３４ｂは、収容されているθマグネット２８の磁極がある主面２８ａ，２８ｂからロータコア２６の周方向θに向かって延びるように設けられている。

周方向逃がし部３４ｂは、周方向θの厚みｔ_３が、ｔ_３≦３Ｔ、より好ましくはｔ_３≦２Ｔを満たすように設定されており、径方向ｒの厚みｔ_４が、ｔ_４≦３Ｔ、より好ましくはｔ_４≦２Ｔを満たすように設定されている。また、周方向逃がし部３４ｂのＲ３面、Ｒ４面の半径は、１．５Ｔ以下、より好ましくは１．０Ｔ以下である。また、周方向逃がし部３４ｂとロータコア２６の外周面２６ｃとの間の厚みｔ_５は、１．０Ｔ程度である。また、外周面２６ｃを環状の連続面とすることで、ロータコア２６の剛性を高めることができる。

マグネット収容部２６ｂは、周方向逃がし部３４ａや周方向逃がし部３４ｂを有することで、ロータコア２６にθマグネット２８が挿入される際に、θマグネット２８の角部（エッジ部）との干渉が抑えられる。そのため、θマグネット２８の形状、特に角部の形状の自由度が増し、Ｒ面やＣ面のないθマグネット２８であっても、マグネット収容部２６ｂへ挿入する際の作業性が向上する。また、各θマグネット２８の主面２８ａから出た磁束のうち、ロータコア２６内を経由して反対側の主面２８ｂに向かう無効磁束が、比透磁率の低い空気で満たされた周方向逃がし部３４ａ，３４ｂによって妨げられ、ロータコア２６内で短絡（磁気ショート）することが抑制される。

一方、θマグネット２８の磁極がある主面２８ａ，２８ｂの一部が、周方向逃がし部３４ａ，３４ｂによりロータコア２６に接触しなくなるため、θマグネット２８の主面２８ａから出てギャップ部を経由して主面２８ｂに入る有効磁束が減少する可能性がある。しかしながら、θマグネット２８として、角部のＣ面（斜めにした面）若しくはＲ面がないものの残留磁束密度が高い焼結磁石を用いることができるので、ロータ１２として所望の平均磁束密度を実現することができる。

なお、隣接するθマグネット２８同士の最短距離をＷｂ［ｍｍ］（図４（ｂ）参照）とすると、Ｗｂ≦７Ｔ、より好ましくはＷｂ≦５Ｔを満たすように設定されている。θマグネット２８同士の最短距離が広いと、ロータコア２６内における磁気ショートによる無効磁束が増加し、ロータ１２とステータ１４とのギャップ部での有効磁束が低下する傾向にある。そこで、マグネット同士の最短距離Ｗｂを上述の式を満たすように設計することで、有効磁束（換言するとロータ外周部での平均磁束密度）の低下を抑制できる。

［ステータ］
次に、ステータ１４の構造について詳述する。図６は、ステータコアの上面図である。図７は、巻線を巻き付けるインシュレータの斜視図である。図８（ａ）は、本実施の形態に係るステータおよびロータの上面図、図８（ｂ）は、本実施の形態に係るステータおよびロータの斜視図である。

ステータコア３６は、円筒状の部材であり、複数枚の板状のステータヨーク３８が積層されたものである。ステータヨーク３８は、複数本（本実施の形態では１２本）のティース４０が環状部の内周から中心に向かって形成されている。

各ティース４０には、図７に示す一体型のインシュレータ４２が取り付けられる。次に、ティース４０ごとにインシュレータ４２の上から導体を巻き付けてステータ巻線４３を形成する。そして、このような工程を経て完成したステータ１４の中心部にロータ１２を配置する（図８参照）。なお、ティースの幅が先端部に向かって広がっている場合、複数に分割したインシュレータをティースの上下から取り付けてもよい。

［θマグネットの数と形状］
ところで、本実施の形態に係るモータ１００のように、埋込磁石型のインナーロータタイプのブラシレスモータの場合、θマグネット２８の数や形状は、ロータコア２６の大きさに応じてある程度選択できる。一方で、θマグネット２８の数や形状を適当に選択しただけでは、性能のよい（例えば高トルク）モータを実現できない。

そこで、本発明者が鋭意検討したところ、ロータコア２６の直径Ｄｒ［ｍｍ］に対して、θマグネット２８の数（換言するとロータ１２の磁極数Ｐ）や、θマグネット２８のロータコア２６の周方向におけるθマグネット２８の厚みＬｍ［ｍｍ］を最適化することで、θマグネット２８の残留磁束密度Ｂｒに対するロータ１２の外周部の平均磁束密度Ｂｇを向上させることができる点に想到した。

以下、シミュレーション等による解析結果と合わせて説明する。図９は、磁極数Ｐとθマグネット厚み（Ｌｍ［ｍｍ］）／ロータコア最大外径（Ｄｒ［ｍｍ］）とに応じたロータのマグネット配置を模式的に列挙した図である。なお、ロータコアの形状が真円の場合、直径と最大外径は一致する。所定の大きさのロータコア２６にθマグネット２８を配置する場合、図９に示すように、θマグネット２８の数（磁極数Ｐ）が多いほど、隣接するθマグネット２８との干渉を避けるためにθマグネットのロータコア径方向の長さが短くなる。つまり、θマグネット２８の磁極がある主面の面積が小さくなる。

また、同じ磁極数の場合、図９に示すように、θマグネット２８のロータコア周方向の厚みＬｍが大きいほど、隣接するθマグネット２８との干渉を避けるためにθマグネット２８のロータコア径方向の長さが短くなる。つまり、θマグネット２８の磁極がある主面の面積が小さくなる。

そこで、本発明者は、図９に示す構成の各ロータの外周部（ロータとステータとのギャップ部）における磁束密度が、磁極数Ｐやθマグネット厚みＬｍ／ロータコア最大外径Ｄｒの変化に応じてどのように変化するか解析した。具体的には、磁極数Ｐを８、１２、１６、２０、２４と変化させ、また、θマグネット厚み／ロータコア最大外径（Ｌｍ／Ｄｒ）を２％〜２４％の範囲で変化させた場合について解析した。

図１０は、各磁極数ごとにθマグネット厚み／ロータコア最大外径（Ｌｍ／Ｄｒ）とギャップ部での平均磁束密度Ｂｇとの関係を示した図である。なお、縦軸は、ギャップ部での磁束密度をθマグネットの残留磁束密度Ｂｒで除算して規格化してある。また、解析に用いたθマグネットの残留磁束密度Ｂｒは１［Ｔ］、ギャップ部は、ロータコア最大外径Ｄｒの１％の幅とした。

図１０に示すように、磁極数Ｐがいずれの場合も、Ｌｍ／Ｄｒの値が２％から増加するに従ってＢｇ／Ｂｒの値も増加するが、その後Ｂｇ／Ｂｒの値はピークを経て、Ｌｍ／Ｄｒの値が更に増加すると、Ｂｇ／Ｂｒの値は減少に転ずる。これは、図９に列挙されているように、同じ磁極数の場合、θマグネットの厚みＬｍを増すと、θマグネット同士の干渉を避けるためにロータコア径方向の長さを短くしなければならず、θマグネットの磁極となる主面の面積が減少するためと考えられる。

このような解析結果から、Ｂｇ／Ｂｒ＞１．０の範囲では、θマグネットの残留磁束密度Ｂｒよりもロータとステータとのギャップ部における平均磁束密度Ｂｇが高いため、Ｌｍ／Ｄｒの値は、Ｂｇ／Ｂｒ＞１．０となる範囲が好ましいことがわかる。

図１１は、Ｂｇ／Ｂｒ＞１．０となる磁極数Ｐとθマグネット厚み／ロータコア最大外径（Ｌｍ／Ｄｒ）との関係を示した図である。つまり、図１０に示した各磁極数Ｐに応じた凸曲線において、Ｂｇ／Ｂｒ＞１．０となるＬｍ／Ｄｒの範囲の上限値、下限値を示したものである。また、最大値とは、各磁極数におけるＢｇ／Ｂｒの値が最大（ピーク）となるＬｍ／Ｄｒの値である。

したがって、図１１に示す上限値（三角点）を結ぶ曲線と下限値（四角点）を結ぶ曲線との間に含まれるように、磁極数Ｐとθマグネット厚み／ロータコア最大外径（Ｌｍ／Ｄｒ）を選択することで、モータが備えるロータ外周部の平均磁束密度を高めることができる。

具体的には、磁極数をＰ、ロータコアの最大外径をＤｒ［ｍｍ］、ロータコアの周方向におけるθマグネットの厚みをＬｍ［ｍｍ］とし、上限値を結ぶ曲線と下限値を結ぶ曲線の近似式を算出した。その結果、
０．６６５×１０^−４×Ｐ^２−０．２８×１０^−２×Ｐ＋０．５７７×１０^−１＜（Ｌｍ／Ｄｒ）＜３．３８×１０^−４×Ｐ^２−１．８６×１０^−２×Ｐ＋３．３６×１０^−１
を満たすようにθマグネット２８の数と形状を構成するとよい。

また、図１０に示す各磁極数におけるＢｇ／Ｂｒの最大値を考慮すると、ロータの磁極数Ｐは、１２極、１４極、１６極、１８極、２０極のいずれかが好ましい。このような磁極数の場合、θマグネット厚み／ロータコア最大外径（Ｌｍ／Ｄｒ）を最適化することで、ロータ１２の外周部の平均磁束密度Ｂｇをθマグネット２８の残留磁束密度Ｂｒの約１．３倍以上に高めることができる。

ここで、ロータコア２６（ロータ１２）の最大外径は、例えば、３５ｍｍ〜２００ｍｍである。また、ロータコア２６の貫通孔２６ａの直径（回転シャフト２４の直径）は、例えば、５ｍｍ〜４０ｍｍである。また、θマグネット２８が略直方体の場合、その大きさは、例えば、ロータコアの周方向θの厚みが１ｍｍ〜２５ｍｍ、ロータコア２６の径方向ｒの幅が５ｍｍ〜８０ｍｍ、ロータの回転軸方向の長さが８ｍｍ〜３２ｍｍである。また、ロータコア２６を構成する電磁鋼板の一枚の厚みは、例えば、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍである。また、θマグネット２８の磁気特性は、例えば、残留磁束密度Ｂｒが０．４Ｔ〜１．５Ｔ、保持力Ｈｃｂが３２０ｋＡ／ｍ〜１２００ｋＡ／ｍである。

（第２の実施の形態）
以下の各実施の形態では、ロータコアの変形例について説明する。図１２（ａ）は、第２の実施の形態に係る逃がし部のないロータコアの上面図、図１２（ｂ）は、第２の実施の形態に係る逃がし部がなく外周が分断されたロータコアの上面図である。

図１２（ａ）に示すロータコア４４は、第１の実施の形態に係るロータコア２６と同様に、θマグネットが挿入され固定される複数のマグネット収容部４４ｂを有する。マグネット収容部４４ｂは、第１の実施の形態に係るロータコア２６と異なり逃がし部を有していない。

そのため、マグネット収容部４４ｂのロータコア径方向中心側において、ロータコア２６のように周方向逃がし部３４ａ同士の干渉を考慮しなくてもよいため、マグネット収容部４４ｂをロータコア径方向に延ばすことができる。つまり、よりロータコア径方向の長さが大きなθマグネット２８を収容することができるため、θマグネット２８の主面（磁極がある面）の有効磁束を増加（トルクアップ）できる。また、逃がし部がないため、マグネット収容部４４ｂに収容されたθマグネット２８の主面側に空洞が生じず、ロータコア２６の外周部に向かう有効磁束の減少が避けられる。

なお、逃がし部がないマグネット収容部４４ｂの場合、角部がＣ面やＲ面となっているθマグネット２８を用いることでθマグネット２８の挿入の際の作業性を向上できる。そのため、後加工をせずに成型時にＣ面やＲ面を角部に形成できるボンド磁石が好適である。なお、角部にＣ面やＲ面を形成できるのであれば、焼結磁石でもよい。

図１２（ｂ）に示すロータコア４６は、複数のマグネット収容部４６ｂを有する。マグネット収容部４６ｂは、第１の実施の形態に係るロータコア２６と異なり逃がし部を有していないが、ロータコア径方向の外周面４６ｃに切断部４６ａが形成されている。そのため、ロータコア４６の外周部での磁気ショートが抑制される。

（第３の実施の形態）
図１３（ａ）は、第３の実施の形態に係るロータコアの上面図、図１３（ｂ）は、第３の実施の形態の変形例に係るロータコアの上面図である。図１４（ａ）は、図１３（ａ）のＣ領域の拡大図、図１４（ｂ）は、図１３（ａ）のＤ領域の拡大図である。

図１３（ａ）に示すロータコア４８は、放射状に形成された複数のマグネット収容部４８ｂを有する。マグネット収容部４８ｂは、ロータコア４８の径方向ｒであってロータコアの中心側の端部に、θマグネット２８が収容された状態で隙間となる径方向逃がし部５０ａが形成されている。径方向逃がし部５０ａは、収容されているθマグネット２８の磁極がある主面２８ａ（２８ｂ）と同一平面を有している。また、径方向逃がし部５０ａは、収容されているθマグネット２８のロータコア中心側の端面２８ｃからロータコア４８の中心に向かって延びるように設けられている。

ロータコア４８を構成する電磁鋼板の一枚の厚みをＴ［ｍｍ］とすると、径方向逃がし部５０ａは、周方向θの厚みｔ_６が、ｔ_６≦３Ｔ、より好ましくはｔ_６≦２Ｔを満たすように設定されており、径方向ｒの厚みｔ_７が、ｔ_７≦３Ｔ、より好ましくはｔ_７≦２Ｔを満たすように設定されている。また、径方向逃がし部５０ａのＲ５面、Ｒ６面の半径は、１．５Ｔ以下、より好ましくは１．０Ｔ以下である。また、隣接する径方向逃がし部５０ａとの間隔Ｇ_２は、１．０Ｔ程度である。

また、マグネット収容部４８ｂは、ロータコア４８の径方向ｒであってロータコアの中心側と反対側の端部に、θマグネット２８が収容された状態で隙間となる径方向逃がし部５０ｂが形成されている。径方向逃がし部５０ｂは、収容されているθマグネット２８の磁極がある主面２８ａ，２８ｂと同一平面を有している。また、径方向逃がし部５０ｂは、収容されているθマグネット２８のロータコア中心側と反対側の端面２８ｄからロータコア４８の外周面４８ｃに向かって延びるように設けられている。

径方向逃がし部５０ｂは、周方向θの厚みｔ_８が、ｔ_８≦３Ｔ、より好ましくはｔ_８≦２Ｔを満たすように設定されており、径方向ｒの厚みｔ_９が、ｔ_９≦３Ｔ、より好ましくはｔ_９≦２Ｔを満たすように設定されている。また、径方向逃がし部５０ｂのＲ７面、Ｒ８面の半径は、１．５Ｔ以下、より好ましくは１．０Ｔ以下である。また、径方向逃がし部５０ｂとロータコア４８の外周面４８ｃとの間の厚みｔ_１０は、１．０Ｔ程度である。

マグネット収容部４８ｂは、径方向逃がし部５０ａや径方向逃がし部５０ｂを有することで、ロータコア４８にθマグネット２８が挿入される際に、θマグネット２８の角部（エッジ部）との干渉が抑えられる。そのため、θマグネット２８の形状、特に角部の形状の自由度が増し、Ｒ面やＣ面のないθマグネット２８であっても、マグネット収容部４８ｂへ挿入する際の作業性が向上する。また、各θマグネット２８の主面２８ａから出た磁束のうち、ロータコア４８内を経由して反対側の主面２８ｂに向かう無効磁束が、比透磁率の低い空気で満たされた径方向逃がし部５０ａ，５０ｂによって妨げられ、ロータコア４８内で短絡（磁気ショート）することが抑制される。

一方、周方向逃がし部５０ａ，５０ｂにより、θマグネット２８の主面２８ａから出てギャップ部を経由して主面２８ｂに入る有効磁束が減少する可能性がある。しかしながら、θマグネット２８として、角部のＣ面（斜めにした面）若しくはＲ面がないものの残留磁束密度が高い焼結磁石を用いることができるので、ロータとして所望の平均磁束密度を実現することができる。

ロータコア４８は、マグネット収容部４８ｂのロータコア径方向中心側において、ロータコア２６のように周方向逃がし部３４ａ同士の干渉を考慮しなくてもよいため、マグネット収容部４８ｂをロータコア径方向に延ばすことができる。つまり、よりロータコア径方向の長さが大きなθマグネット２８を収容することができるため、θマグネット２８の主面（磁極がある面）の有効磁束を増加（トルクアップ）できる。また、周方向逃がし部がないため、マグネット収容部４８ｂに収容されたθマグネット２８の主面側に空洞が生じず、ロータコア２６の外周部に向かう有効磁束の減少が避けられる。

図１３（ｂ）に示すロータコア５２は、図１３（ａ）に示すロータコア４８の変形例である。ロータコア５２は、放射状に形成された複数のマグネット収容部５２ｂを有する。マグネット収容部５２ｂは、ロータコア５２の径方向ｒであってロータコアの中心側の端部に、θマグネット２８が収容された状態で隙間となる径方向逃がし部５０ａが形成されている。

また、マグネット収容部５２ｂは、ロータコア５２の径方向ｒであってロータコアの中心側と反対側の端部に、ロータコア２６と同様に、θマグネット２８が収容された状態で隙間となる周方向逃がし部３４ｂが形成されている。ロータコア５２の作用効果は、前述の各実施の形態と重複するため説明を省略する。

（第４の実施の形態）
図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、第４の実施の形態に係るロータコアの一例を示す上面図である。

図１５（ａ）に示すロータコア５４は、第１の実施の形態に係るロータコア２６の外周面２６ｃの一部が分断されたものである。その結果、マグネット収容部２６ｂのロータコア径方向ｒの外側端部に外部と連通する切断部５４ａが形成されている。

また、図１５（ｂ）に示すロータコア５６は、第３の実施の形態に係るロータコア４８の外周面４８ｃの一部が分断されたものである。その結果、マグネット収容部４８ｂのロータコア径方向ｒの外側端部に外部と連通する切断部５６ａが形成されている。

また、図１５（ｃ）に示すロータコア５８は、第３の実施の形態の変形例に係るロータコア５２の外周面５２ｃの一部が分断されたものである。その結果、マグネット収容部５２ｂのロータコア径方向ｒの外側端部に外部と連通する切断部５８ａが形成されている。

上述のように、外周面に切断部を有するロータコア５４，５６，５８は、外周面近傍において磁気ショートが抑制されるため、ロータコア外周面から外へ向かう有効磁束が増加する。

なお、実施の形態に係るモータは、複数の巻線が配置されている筒状のステータと、ステータの中心部に設けられている上述のロータと、ステータの複数の巻線に給電する給電部と、を備えている。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

以下では、上述の各実施の形態の逃がし部の変形例について説明する。

図１６（ａ）は、第１の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＧ領域の拡大図である。図１６（ａ）のロータコア１１０は、中心側の端部に径方向逃がし部を設けたうえで、さらにその逃がし部から周方向逃がし部を設けてある。

図１７（ａ）〜図１７（ｈ）は、第１の変形例に係るロータコアの他の例を示す上面図である。

図１７（ａ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に逃がし部が無い場合である。図１７（ｂ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部が有る場合である。図１７（ｃ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に径方向逃がし部が有る場合である。図１７（ｄ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部と径方向逃がし部が有る場合である。

図１７（ｅ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に逃がし部が無い場合である。図１７（ｆ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部が有る場合である。図１７（ｇ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に径方向逃がし部が有る場合である。図１７（ｈ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部と径方向逃がし部が有る場合である。

図１８（ａ）は、第２の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＨ領域の拡大図である。図１８（ａ）のロータコア１２０は、中心側の端部に周方向逃がし部を設けたうえで、さらにその逃がし部から径方向逃がし部を設けてある。

図１９（ａ）〜図１９（ｈ）は、第２の変形例に係るロータコアの他の例を示す上面図である。

図１９（ａ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に逃がし部が無い場合である。図１９（ｂ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部が有る場合である。図１９（ｃ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に径方向逃がし部が有る場合である。図１９（ｄ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部と径方向逃がし部が有る場合である。

図１９（ｅ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に逃がし部が無い場合である。図１９（ｆ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部が有る場合である。図１９（ｇ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に径方向逃がし部が有る場合である。図１９（ｈ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部と径方向逃がし部が有る場合である。

図２０（ａ）は、第３の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）のＩ領域の拡大図である。図２０（ａ）のロータコア１３０は、中心側の端部に周方向逃がし部を設けたうえで、さらにその逃がし部から径方向逃がし部を設けてある。

図２１（ａ）〜図２１（ｈ）は、第３の変形例に係るロータコアの他の例を示す上面図である。

図２１（ａ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に逃がし部が無い場合である。図２１（ｂ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部が有る場合である。図２１（ｃ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に径方向逃がし部が有る場合である。図２１（ｄ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されていない場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部と径方向逃がし部が有る場合である。

図２１（ｅ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に逃がし部が無い場合である。図２１（ｆ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部が有る場合である。図２１（ｇ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に径方向逃がし部が有る場合である。図２１（ｈ）に示すロータコアは、コア外周部が分割されている場合であってかつ中心側と反対側の端部に周方向逃がし部と径方向逃がし部が有る場合である。

図２２（ａ）、図２２（ｂ）は、第４の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図である。図２２（ａ）、図２２（ｂ）に示すロータコアは、ロータの磁極数が１４極の場合に対応するものであり、溝数が１２のステータとともに用いられる。

図２２（ａ）に示すロータコア１３２は、図１２（ａ）に示すロータコア４４と同様に、θマグネットが挿入され固定される複数のマグネット収容部１３４を有する。マグネット収容部１３４は、第１の実施の形態に係るロータコア２６と異なり逃がし部を有していない。また、ロータコア１３２は、前述の各ロータコアと異なり直径Ｌが一定ではない。つまり、ロータコア１３２の外周面１３２ａは、直径が最大となる領域Ｊ（直径Ｌ１）と直径が最小となる領域Ｋ（直径Ｌ２）とが周期的に形成されている。また、領域Ｊは、半径Ｌ／２よりも短い曲率半径Ｒ９によって規定される曲面を有する。なお、上述の最大外径Ｄｒは、直径Ｌ１と同じである。このようなロータコア１３２を用いることでモータのコギングやトルクリップルを抑制できる。

図２２（ｂ）に示すロータコア１３６は、図２２（ａ）に示すロータコア１３２と比較して、ロータコア径方向の外周面１３６ａに切断部１３６ｂが形成されている点が異なる。そのため、ロータコア１３６は、外周部での磁気ショートが抑制される。なお、上述の最大外径Ｄｒは、直径が最大となる領域Ｊ（直径Ｌ１）の頂点を結んだ仮想円１３８の直径と定義してもよい。

図２３（ａ）、図２３（ｂ）は、第５の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図である。図２３（ａ）に示すロータコア１４０は、図２２（ａ）に示すロータコア１３２と比較して、マグネット収容部１４２の形状が異なる。具体的には、マグネット収容部１４２にθマグネット１４４が収容された状態で隙間となる三角柱状の逃がし部１４２ａが形成されている。各θマグネット１４４の主面１４４ａから出た磁束のうち、ロータコア１４０内を経由して反対側の主面１４４ｂに向かう無効磁束が、比透磁率の低い空気で満たされた逃がし部１４２ａによって妨げられ、ロータコア１４０内で短絡（磁気ショート）することが抑制される。

図２３（ｂ）に示すロータコア１４６は、図２３（ａ）に示すロータコア１４０と比較して、ロータコア径方向の外周面１４６ａに切断部１４６ｂが形成されている点が異なる。そのため、ロータコア１４６は、内周部および外周部での磁気ショートが抑制される。

図２４（ａ）、図２４（ｂ）は、第６の変形例に係るロータコアの一例を示す上面図である。図２４（ａ）に示すロータコア１４８は、図２３（ａ）に示すロータコア１４０と比較して、隣接するマグネット収容部１４２の逃がし部１４２ａ間に三角柱状の貫通穴１５０が形成されている点が大きく異なる。この貫通穴１５０が存在することで、逃がし部１４２ａと貫通穴１５０との間に形成された２つのブリッジそれぞれの最小幅Ｗ２と最小幅Ｗ２’との和は、マグネット収容部１４２間の最小幅Ｗ１（Ｗｂ）よりも小さくできる（Ｗ２＋Ｗ２’＜Ｗ１）。

これにより、各θマグネット１４４の主面１４４ａから出た磁束は、ロータコア１４８内のマグネット収容部１４２と貫通穴１５０との間のごく狭い領域が存在することで、反対側の主面１４４ｂに向かいにくくなる。その結果、ロータコア１４８内で短絡（磁気ショート）することが抑制される。一方、各部の幅をＷ１≒Ｗ２＋Ｗ２’とすることで、ロータコア１４８自体の強度をあまり低下させずにすむ。なお、Ｗ２＝Ｗ２’とすることで、ロータコア１４８が正転、逆転にかかわらず特性の変わらない回転が得られる。

図２４（ｂ）に示すロータコア１５２は、図２４（ａ）に示すロータコア１４８と比較して、ロータコア径方向の外周面１５２ａに切断部１５２ｂが形成されている点が異なる。そのため、ロータコア１５２は、内周部および外周部での磁気ショートが抑制される。

１０ フロントベル、 １２ ロータ、 １４ ステータ、 １６ エンドベル、 １８ ハウジング、 ２０ 給電部、 ２４ 回転シャフト、 ２６ ロータコア、 ２６ａ 貫通孔、 ２６ｂ マグネット収容部、 ２６ｃ 外周面、 ２８ θマグネット、 ２８ａ，２８ｂ 主面、 ２８ｃ，２８ｄ 端面、 ３４ａ，３４ｂ 周方向逃がし部、 ３６ ステータコア、 ３８ ステータヨーク、 ４０ ティース、 ４２ インシュレータ、 ４３ ステータ巻線、 ４８ ロータコア、 ４８ｂ マグネット収容部、 ４８ｃ 外周面、 ５０ａ，５０ｂ 径方向逃がし部、 １００ モータ、 １３２ａ，１３６ａ，１４６ａ，１５２ａ 外周面、 Ｄｒ ロータコアの最大外径、 Ｌｍ θマグネットの厚み、 Ｐ 磁極数、 Ｂｇ ロータ外周部の平均磁束密度、 Ｂｒ θマグネットの残留磁束密度。

本発明は、ロータおよびモータに利用できる。

Claims (8)

1. 円形のロータコアと、
   複数の板状マグネットとを備え、
   前記ロータコアは、回転軸を中心に放射状に形成された複数のマグネット収容部を有し、
   前記板状マグネットは、隣接するマグネットと同じ磁極同士がロータコアの周方向において対向するように前記マグネット収容部に収容されており、
   板状マグネットの磁極がある面の表面積をＳ _１ ［ｍｍ ^２ ］、ロータコアの外周面の表面積をＳ _２ ［ｍｍ ^２ ］、ロータの磁極数をＰ、ロータコアの最大外径をＤｒ［ｍｍ］、ロータコアの周方向における板状マグネットの厚みをＬｍ［ｍｍ］とすると、
   Ｓ _１ ＞Ｓ _２ ／Ｐ・・・式（１）、
   ０．６６５×１０^−４×Ｐ^２−０．２８×１０^−２×Ｐ＋０．５７７×１０^−１＜（Ｌｍ／Ｄｒ）＜３．３８×１０^−４×Ｐ^２−１．８６×１０^−２×Ｐ＋３．３６×１０^−１・・・式（２）、
   上記の式（１）、式（２）を満たすことを特徴とするロータ。
2. 前記ロータコアは、複数の電磁鋼板または冷延鋼板を積層したものであり、
   前記電磁鋼板または冷延鋼板の一枚の厚みをＴ［ｍｍ］、隣接する板状マグネット同士の最短距離をＷｂ［ｍｍ］とすると、
   Ｗｂ≦５Ｔ・・・式（３）
   上記式（３）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記マグネット収容部は、ロータコアの径方向であってロータコアの中心側の端部に、前記板状マグネットが収容された状態で隙間となる径方向逃がし部が形成されており、
   前記径方向逃がし部は、収容されている板状マグネットのロータコア中心側端面からロータコアの中心に向かって延びるように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記マグネット収容部は、ロータコアの径方向であってロータコアの中心側と反対側の端部に、前記板状マグネットが収容された状態で隙間となる周方向逃がし部が形成されており、
   前記周方向逃がし部は、収容されている板状マグネットの磁極表面からロータコアの周方向に向かって延びるように設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロータ。
5. 前記ロータの磁極数Ｐは、１２極、１４極、１６極、１８極、２０極のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロータ。
6. 前記板状マグネットのロータコア周方向の厚みＬｍは、１ｍｍ〜２５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロータ。
7. 前記ロータコアの最大外径Ｄｒは、３５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のロータ。
8. 複数の巻線が配置されている筒状のステータと、
   前記ステータの中心部に設けられている請求項１乃至７のいずれか１項に記載のロータと、
   前記ステータの複数の巻線に給電する給電部と、
   を備えるモータ。

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